Радужное соответствие
В математической дисциплине теории графов радужное паросочетание в графе с раскрашенными ребрами — это паросочетание , в котором все ребра имеют разные цвета.
Определение
[ редактировать ]с раскрашенными ребрами Для графа G = ( V , E ) радужное сопоставление M в G представляет собой набор попарно несмежных ребер, то есть никакие два ребра не имеют общей вершины, так что все ребра в наборе имеют отчетливые цвета.
Максимальное радужное паросочетание — это радужное паросочетание, содержащее максимально возможное количество ребер.
История
[ редактировать ]Радужные сопоставления представляют особый интерес, поскольку они связаны с трансверсалами латинских квадратов .
Обозначим через K n , n полный двудольный граф на n + n вершинах. Каждая правильная - реберная раскраска Kn , n n n соответствует латинскому квадрату порядка . Тогда радужное сопоставление соответствует трансверсальному латинскому квадрату, что означает выбор из n позиций, по одной в каждой строке и каждом столбце, содержащих разные записи.
Эта связь между трансверсалями латинских квадратов и радужными паросочетаниями в K n , n вызвала дополнительный интерес к изучению радужных паросочетаний в графах без треугольников . [1]
Существование, когда каждое ребро имеет один цвет
[ редактировать ]Раскраска ребер называется правильной , если каждое ребро имеет один цвет и каждые два ребра одного цвета не имеют общих вершин.
Правильная раскраска краев не гарантирует существования идеального соответствия радуги. Например, рассмотрим граф K 2,2 : полный двудольный граф с 2+2 вершинами. Предположим, что ребра ( x 1 , y 1 ) и ( x 2 , y 2 ) окрашены в зеленый цвет, а ребра ( x 1 , y 2 ) и ( x 2 , y 1 ) окрашены в синий цвет. Это правильная раскраска, но идеальных сочетаний только две, и каждая из них окрашена в один цвет. Возникает вопрос: когда гарантированно существует большое радужное совпадение?
Границы, зависящие только от количества вершин
[ редактировать ]Большая часть исследований по этому вопросу была опубликована с использованием терминологии латинских трансверсалей в латинских квадратах . В переводе на терминологию сопоставления радуги:
- В 1967 году Х. Дж. Райзер предположил, что, когда n нечетно , каждая правильная раскраска ребер K n , n имеет радужное сопоставление размера n . [2]
- В 1975 году С. К. Штейн и Бруальди предположили, что, когда n четно , каждая правильная раскраска ребер K n , n имеет радужное сопоставление размера n – 1 . [3] (известно, что в этом случае не обязательно должно существовать радужное паросочетание размера n ).
Более общая гипотеза Штейна состоит в том, что радужное паросочетание размера n – 1 существует не только для правильной раскраски ребер, но и для любой раскраски, в которой каждый цвет встречается ровно на n ребрах. [2]
Были доказаны некоторые более слабые версии этих гипотез:
- Каждая правильная раскраска ребер K n , n имеет радужное паросочетание размера 2 n /3 . [4]
- Каждая правильная раскраска ребер K n , n имеет радужное паросочетание размера [5]
- Каждая правильная раскраска ребер K n , n имеет радужное сопоставление размера n – 11 log 2. 2 ( н ) . [6]
- Каждая правильная раскраска ребер K n , n имеет радужное паросочетание размера n – O(log n /log log n ) . [7]
- Каждая правильная раскраска ребер K n , n имеет радужное паросочетание размера n – 1 . [8] (Препринт)
Границы в зависимости от минимальной степени
[ редактировать ]Ван спросил, существует ли функция f ( d ) такая, что каждый правильно раскрашенный граф G с минимальной степенью d и не менее f ( d ) вершин должен иметь радужное сопоставление размера d . [9] Очевидно, что необходимо как минимум 2 d вершины, но сколько их достаточно?
- Димунш и др. ответил на этот вопрос утвердительно и показал, что для графа G с правильно раскрашенными ребрами минимальной степени d и порядка не ниже f ( d ) = 98δ/23 существует радужное паросочетание размера d в G . [10]
- Позднее эта оценка была улучшена до f ( d ) = 4 d – 3 Андрасом Дьярфасом и Габором Н. Саркози. [11] Они также показывают, что любой граф с хотя бы 2 d вершинами имеет радужное паросочетание размером не менее d – 2 d. 2/3 . Это самая известная оценка на сегодняшний день.
Существование, когда одно и то же ребро может иметь разные цвета
[ редактировать ]Предположим, что каждое ребро может иметь несколько разных цветов, при этом каждые два ребра одного цвета не должны иметь общих вершин. Другими словами, каждый цвет является соответствующим . Сколько цветов необходимо, чтобы гарантировать существование радужного совпадения?
В полных двудольных графах
[ редактировать ]Диарея [12] изучал этот вопрос, используя терминологию латинских прямоугольников . Он доказал, что для любого n ≤ k в полном двудольном графе K n , k любое семейство из 2 n – 1 паросочетаний (= цветов) размера n имеет идеальное радужное паросочетание (размера n ). Он применил эту теорему к вопросам о групповых действиях и разностных множествах .
Дриско также показал, что 2 n – 1 может потребоваться паросочетания: рассмотрим семейство из 2 n – 2 паросочетаний, из которых n – 1 — это { ( x 1 , y 1 ), ( x 2 , y 2 ), ..., ( x n , y n )}, а остальные n – 1 равны {( x 1 , y 2 ), ( x 2 , y 3 ), …, ( x n , y 1 ) }. Тогда самое большое радужное паросочетание имеет размер n – 1 (например, возьмите по одному ребру из каждого из первых n – 1 паросочетаний).
Алон [13] показал, что из теоремы Дриско следует более старый результат [14] в аддитивной теории чисел .
В общем случае двудольные графы
[ редактировать ]Ахарони и Бергер [15] обобщила теорему Дриско на любой двудольный граф, а именно: любое семейство из 2 n – 1 паросочетаний размера n в двудольном графе имеет радужное паросочетание размера n .
Ахарони, Котлар и Зив [16] показал, что экстремальный пример Дриско уникален в любом двудольном графе.
В общих чертах
[ редактировать ]В обычных графах 2 n – 1 паросочетаний уже недостаточно. Когда n четное, можно добавить к примеру Дриско сопоставление { ( x 1 , x 2 ), ( y 1 , y 2 ), ( x 2 , x 3 ), ( y 2 , y 3 ), … } и получить семейство из 2 n – 1 паросочетаний без каких-либо радужных паросочетаний.
Ахарони, Бергер, Чудновский, Ховард и Сеймур [17] доказал, что в общем графе 3 n – 2 всегда достаточно паросочетаний (= цветов). Неизвестно, является ли это точным: в настоящее время лучшая нижняя граница для четного n равна 2 n , а для нечетного n — 2 n – 1 . [18]
Радужные дробные соответствия
[ редактировать ]Дробное паросочетание — это набор ребер с неотрицательным весом, присвоенным каждому ребру, такой, что сумма весов, прилегающих к каждой вершине, не превышает 1. Размер дробного паросочетания — это сумма весов всех ребер. Это обобщение сопоставления, и его можно использовать для обобщения как цветов, так и сопоставления радуги:
- Вместо требования, чтобы каждый цвет был паросочетанием размера n , требование ослабляется: каждый «цвет» может быть произвольным набором ребер, но он должен допускать дробное сопоставление размера не менее n .
- Вместо поиска радужного совпадения мы ищем дробное радужное сопоставление — дробное сопоставление, в котором каждое ребро с положительным весом имеет разный цвет.
Известно, что в двудольном графе максимальный размер дробного соответствия равен максимальному размеру совпадения. Поэтому теорема Ахарони и Бергера [15] эквивалентно следующему. Пусть n — любое положительное целое число. Учитывая любое семейство из 2 n – 1 дробных совпадений (= цветов) размера n в двудольном графе, существует дробно-радужное совпадение размера n .
Ахарони, Хольцман и Цзян распространяют эту теорему на произвольные графы следующим образом. Пусть n — любое целое положительное или полуцелое число. Любое семейство из 2 n дробных совпадений (= цветов) размера не менее n в произвольном графе имеет дробно-радужное совпадение размера n . [18] : Thm.1.5 2 — это наименьшее возможное число для дробных паросочетаний в произвольных n графах: экстремальный случай строится с использованием цикла нечетной длины.
Частичное доказательство
[ редактировать ]В случае идеальных дробных паросочетаний обе приведенные выше теоремы можно вывести из красочной теоремы Каратеодори .
Для каждого ребра e в E пусть 1 e — вектор размера | В | , где для каждой вершины v в V элемент v в 1 e равен 1, если e смежна с v , и 0 в противном случае (поэтому каждый вектор 1 e имеет 2 единицы и | V | -2 нуля). Каждое дробное паросочетание соответствует конической комбинации ребер, в которой каждый элемент не превышает 1. Коническая комбинация, в которой каждый элемент равен ровно 1, соответствует идеальному дробному паросочетанию. Другими словами, набор ребер F допускает идеальное дробное паросочетание тогда и только тогда, когда 1 v (вектор из | V | единиц) содержится в конической оболочке векторов 1 e for e в F .
Рассмотрим граф с 2n вершинами и предположим , существует 2n что подмножеств ребер, каждое из которых допускает идеальное дробное паросочетание (размера n ). Это означает, что вектор 1 v находится в конической оболочке каждого из этих n подмножеств. По красочной теореме Каратеодори существует набор из 2 n ребер, по одному из каждого подмножества, в конической оболочке которых содержится 1 v . Это соответствует идеальному дробному совпадению радуги. Выражение 2 n представляет собой размерность векторов 1 e — каждый вектор имеет 2 n элементов.
Теперь предположим, что граф двудольный. существует ограничение В двудольном графе на векторы 1 e : сумма элементов, соответствующих каждой части графа, должна быть равна 1. Следовательно, векторы 1 e живут в (2 n – 1) -мерном пространстве. Следовательно, тот же аргумент, что и выше, справедлив, когда существует только 2 n – 1 подмножества ребер.
Сопоставление радуги в гиперграфах
[ редактировать ]r -однородный гиперграф — это набор гиперребер, каждое из которых содержит ровно r вершин (поэтому 2-однородный гиперграф — это просто граф без петель). Ахарони, Хольцман и Цзян распространяют свою теорему на такие гиперграфы следующим образом. Пусть n — любое положительное рациональное число. Любое семейство ⌈ r ⋅ n ⌉ дробных сопоставлений (= цветов) размера не менее n в r -однородном гиперграфе имеет дробно-радужное сопоставление размера n . [18] : Thm.1.6 ⌈ n r ⋅ n ⌉ является наименьшим возможным, когда является целым числом.
R -частичный гиперграф — это r -однородный гиперграф, в котором вершины разбиты на r непересекающиеся множества, и каждое гиперребро содержит ровно одну вершину каждого множества (поэтому 2-частичный гиперграф — это просто двудольный граф). Пусть n — любое положительное целое число. Любое семейство rn – r + 1 дробных сопоставлений (= цветов) размера не менее n в r -частичном гиперграфе имеет дробно-радужное сопоставление размера n . [18] : Thm.1.7 rn является – r + 1 является наименьшим из возможных: крайний случай – это когда – 1 n = r степенью простого числа , а все цвета являются ребрами усеченной проективной плоскости порядка n . Итак, каждый цвет имеет n 2 = rn – r + 1 ребер и дробное сопоставление размера n , но любое дробное сопоставление такого размера требует всех rn – r + 1 ребер. [19]
Частичное доказательство
[ редактировать ]В случае идеальных дробных паросочетаний обе приведенные выше теоремы можно вывести из теоремы красочного каратеодори из предыдущего раздела. Для общего r -однородного гиперграфа (допускающего идеальное паросочетание размера n ) векторы 1 e живут в ( rn ) -мерном пространстве. Для r -однородного r -частного гиперграфа ограничения r -частности означают, что векторы 1 e живут в ( rn – r + 1) -мерном пространстве.
Примечания
[ редактировать ]Приведенные выше результаты справедливы только для радужных дробных паросочетаний. Напротив, случай радужных интегральных паросочетаний в r -однородных гиперграфах изучен гораздо меньше. Количество требуемых паросочетаний для радужного сопоставления размера n растет, по крайней мере, экспоненциально с увеличением n .
Вычисление
[ редактировать ]Гэри и Джонсон показали, что вычисление максимального радужного сопоставления является NP-полным с раскрашенными ребрами даже для двудольных графов . [20]
Приложения
[ редактировать ]Радужные сопоставления применялись для решения задач упаковки . [21]
См. также
[ редактировать ]- Радужная раскраска
- Радужный гиперграф
- Независимый от радуги набор
- Радужное покрытие
- Теоремы типа Холла для гиперграфов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уэст, DB (2009), Rainbow Matchings
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Ахарони, Рон; Бергер, Эли; Котлар, Дэни; Зив, Ран (04 января 2017 г.). «О догадке камня». Трактаты математического семинара Гамбургского университета . 87 (2): 203–211. дои : 10.1007/s12188-016-0160-3 . ISSN 0025-5858 . S2CID 119139740 .
- ^ Штейн, Шерман (1 августа 1975 г.). «Трансверсали латинских квадратов и их обобщения» . Тихоокеанский математический журнал . 59 (2): 567–575. дои : 10.2140/pjm.1975.59.567 . ISSN 0030-8730 .
- ^ Коксма, Клаас К. (1 июля 1969 г.). «Нижняя оценка порядка частичной трансверсали в латинском квадрате» . Журнал комбинаторной теории . 7 (1): 94–95. дои : 10.1016/s0021-9800(69)80009-8 . ISSN 0021-9800 .
- ^ Вулбрайт, Дэвид Э. (1 марта 1978 г.). «Латинский квадрат размера n × n имеет трансверсаль, содержащую как минимум n−n различных символов» . Журнал комбинаторной теории, серия А. 24 (2): 235–237. дои : 10.1016/0097-3165(78)90009-2 . ISSN 0097-3165 .
- ^ Хатами, Пуя; Шор, Питер В. (1 октября 2008 г.). «Нижняя оценка длины частичной трансверсали в латинском квадрате» . Журнал комбинаторной теории, серия А. 115 (7): 1103–1113. дои : 10.1016/j.jcta.2008.01.002 . ISSN 0097-3165 .
- ^ Киваш, Питер; Покровский, Алексей; Судаков, Бенни; Епремян, Лиана (15.04.2022). «Новые границы гипотезы Райзера и связанных с ней проблем» . Труды Американского математического общества, серия B. 9 (8): 288–321. arXiv : 2005.00526 . дои : 10.1090/btran/92 . ISSN 2330-0000 .
- ^ Монтгомери, Ричард (2023). «Доказательство гипотезы Райзера-Бруальди-Стейна для больших четных n ». arXiv : 2310.19779 [ math.CO ].
- ^ Ван, Гуанхуэй (2009), «Радужные сопоставления в графах с правильно раскрашенными ребрами» , Электронный журнал комбинаторики , 18 (1): 162
- ^ Димунш, Дженнифер; Феррара, Майкл; Ло, Аллан; Моффатт, Кейси; Пфендер, Флориан; Венгер, Пол С. (2012), «Радужные сопоставления размера δ(G) в графах с правильно раскрашенными краями» , Электронный журнал комбинаторики , 19 (2): 52, arXiv : 1108.2521 , doi : 10.37236/2443 , S2CID 119177198
- ^ Дьярфас, Андрас; Саркози, Габор Н. (2012). «Радужные паросочетания и частичные трансверсали латинских квадратов». arXiv : 1208.5670 [ CO math. СО ].
- ^ Дриско, Артур А. (1 ноября 1998 г.). «Трансверсали в рядно-латинских прямоугольниках» . Журнал комбинаторной теории, серия А. 84 (2): 181–195. дои : 10.1006/jcta.1998.2894 . ISSN 0097-3165 .
- ^ Алон, Нога (2011). «Разноцветные совпадения в гиперграфах». Московский журнал комбинаторики и теории чисел . 1 :3–10.
- ^ Флорес, Карлос; Ордас, Оскар (1 мая 1996 г.). «О теореме Эрдеша-Гинзбурга-Зива» . Дискретная математика . 152 (1–3): 321–324. дои : 10.1016/0012-365x(94)00328-g . ISSN 0012-365X .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Ахарони, Рон; Бергер, Эли (25 сентября 2009 г.). «Радужные сопоставления в $r$-частных $r$-графах» . Электронный журнал комбинаторики . 16 (1). дои : 10.37236/208 . ISSN 1077-8926 .
- ^ Ахарони, Рон; Котлар, Дэни; Зив, Ран (01 января 2018 г.). «Единственность крайних случаев в теоремах Дриско и Эрдеша – Гинзбурга – Зива» . Европейский журнал комбинаторики . 67 : 222–229. дои : 10.1016/j.ejc.2017.08.008 . ISSN 0195-6698 . S2CID 38268762 .
- ^ Ахарони, Рон; Бергер, Эли; Чудновский, Мария; Ховард, Дэвид; Сеймур, Пол (01 июня 2019 г.). «Большие радужные паросочетания в общих графах». Европейский журнал комбинаторики . 79 : 222–227. arXiv : 1611.03648 . дои : 10.1016/j.ejc.2019.01.012 . ISSN 0195-6698 . S2CID 42126880 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Ахарони, Рон; Хольцман, Рон; Цзян, Цзилинь (29 октября 2019 г.). «Радужные дробные соответствия». Комбинаторика . 39 (6): 1191–1202. arXiv : 1805.09732 . дои : 10.1007/s00493-019-4019-y . ISSN 0209-9683 . S2CID 119173114 .
- ^ Фюреди, Золтан (1 мая 1989 г.). «Покрытие всего графа разбиениями» . Дискретная математика . 75 (1–3): 217–226. дои : 10.1016/0012-365x(89)90088-5 . ISSN 0012-365X .
- ^ Гэри, MR ; Джонсон, Д.С. (1979). Виктор Клее (ред.). Компьютеры и трудноразрешимые проблемы: Руководство по теории NP-полноты . Серия книг по математическим наукам. Сан-Франциско, Калифорния: WH Freeman and Co., стр. x+338 . ISBN 0-7167-1045-5 . МР 0519066 .
- ^ Баннак, Макс; Берндт, Себастьян; Маак, Мартен; Мних, Матиас; Лассота, Александра; Рау, Малин; Скамбат, Мальте (06 июля 2020 г.). «Решение проблем с упаковкой небольшого количества мелких предметов с помощью сопоставлений Rainbow». arXiv : 2007.02660 [ cs.DS ].